Nhiệt độ bề mặt của Sao Thủy dao động từ 100 K (-173⁰C) đến 700 K (427⁰C)[50] do sự thiếu vắng bầu khí quyển (khí quyển cực kỳ mỏng) và gradient nhiệt độ biến đổi mạnh giữa xích đạo và các cực. Vùng được Mặt Trời chiếu sáng có nhiệt độ gần 700 K tại điểm cận nhật sau đó giảm xuống 550 K ở điểm viễn nhật.[51] Ở mặt tối của hành tinh này, nhiệt độ trung bình là 110 K.[52] Cường độ bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Sao Thủy nằm trong khoảng 4,59 đến 10,61 lần hằng số Mặt Trời (1.370 W•m−2).[53]

Mặc dù nhiệt độ ban ngày trên bề mặt Sao Thủy nhìn chung cực kỳ cao, nhưng các quan sát cho rằng băng (nước) có tồn tại trên Sao Thủy. Đáy của các hố va chạm sâu ở các cực chưa bao giờ tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng Mặt Trời, và nhiệt độ ở đây duy trì dưới 102 K; rất thấp so với nhiệt độ trung bình của hành tinh này.[54] Băng nước phản xạ rất mạnh sóng radar, và các quan sát từ kính thiên văn Goldstone đường kính 70 m và VLA trong đầu thập niên 1990 đã tiết lộ rằng có những "miền" phản xạ rất mạnh sóng ra đa ở gần các cực.[55] Trong khi băng không phải là nguyên nhân duy nhất gây ra sự phản xạ mạnh ở các vùng này, các nhà thiên văn học vẫn tin rằng điều này có khả năng xảy ra rất cao.[56]

Các vùng đóng băng ước lượng chứa khoảng 1014–1015 kg băng,[57] và có thể bị phủ bởi một lớp regolith ức chế sự thăng hoa của chúng.[58] So sánh với các hành tinh khác, các lớp băng ở Nam Cực trên Trái Đất có khối lượng khoảng 4×1018 kg, và chỏm băng ở cực nam của Sao Hỏa chứa khoảng 1016 kg nước.[57] Các nhà khoa học vẫn chưa biết rõ nguồn gốc băng trên Sao Thủy, nhưng hai nguồn có thể xảy ra là từ sự thoát hơi nước trong lòng hành tinh hoặc đến từ các sao chổi rơi xuống Sao Thủy.[57]

Với khối lượng quá nhỏ, Sao Thủy không đủ sức bảo tồn bầu khí quyển của nó – các nguyên tử trong bầu khí quyển liên tục bị mất vào trong không gian vì sức hút của trọng lực quá yếu. Hành tinh có một "tầng khí quyển ngoài" rất mong manh[59] chứa hiđrô, heli, ôxy, natri, canxi, kali và các nguyên tố khác. Vùng ngoại quyển này không ổn định, các nguyên tử liên tục bị mất và bổ sung từ nhiều nguồn khác nhau. Các nguyên tử hiđrô và heli có thể do gió Mặt Trời mang đến, khuếch tán vào từ quyển của Sao Thủy trước khi thoát trở lại vào không gian. Phân rã phóng xạ của các nguyên tố trong lớp vỏ của Sao Thủy là một nguồn khác cung cấp lượng heli, cũng như natri và kali. MESSENGER đã phát hiện một tỉ lệ lớn các nguyên tố canxi, heli, hydroxit, magiê, ôxy, kali, silic và natri. Hơi nước cũng có mặt, được giải phóng từ nhiều quá trình kết hợp như: sao chổi va quẹt vào bề mặt, hình thành từ sự kết hợp của hiđrô từ gió Mặt Trời và ôxy từ trong đá, và thăng hoa từ các bể băng bị chôn vùi vĩnh cửu trong các hố va chạm tại hai cực tối. Việc phát hiện ra một lượng lớn nước liên quan đến các ion như O+, OH-, và H2O+ là một điều rất ngạc nhiên đối với các nhà khoa học.[60][61] Do số lượng các ion này xuất hiện trong môi trường không gian quanh Sao Thủy, các nhà khoa học phỏng đoán rằng các phân tử này có thể được thổi đi từ bề mặt hoặc ngoại quyển bởi gió Mặt Trời.[62][63]

Các nhà khoa học cũng phát hiện sự tồn tại của natri, kali và canxi trong bầu khí quyển hành tinh vào thập niên 1980-1990, và họ cho đây là kết quả của sự bốc hơi các đá trên bề mặt khi các tiểu thiên thạch va chạm vào Sao Thủy.[64] Năm 2008, thiết bị trên tàu MESSENGER phát hiện ra nguyên tố magiê.[65] Các nghiên cứu chỉ ra rằng, sự phát thải natri xuất hiện ở một số khu vực tương ứng với các cực từ của hành tinh này. Điều này có thể là kết quả của sự tương tác giữa từ quyển và bề mặt của Thủy Tinh.[66]

Ngày 29 tháng 11 năm 2012, NASA công bố xác nhận rằng từ các hình ảnh chụp từ không gian của tàu MESSENGER đã phát hiện các hố va chạm ở cực bắc có chứa băng nước. Sean C. Solomon nói với tờ The New York Times là lượng băng trên Sao Thủy "đủ để bao phủ Washington, D.C., trong một lớp băng dày hai dặm rưỡi."[49]